Оцінка на основі критерію механіки руйнування статичної міцності кільцевих швів паропроводів з допустимим непроваром та рекомендації щодо їх ремонту

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Оцінка на основі критерію механіки руйнування статичної міцності кільцевих швів паропроводів з допустимим непроваром та рекомендації щодо їх ремонту

Спеціальність 05.03.06 - «Зварювання та споріднені процеси і технології»

Перепічай Андрій

Київ 2013

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі зварювального виробництва Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут», Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник:

Доктор технічних наук, професор

Прохоренко Володимир Михайлович

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», завідувач кафедри зварювального виробництва.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Гедрович Анатолій Іванович,

Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, професор кафедри обробки металів тиском та зварювання

кандидат технічних наук, доцент

Лабарткава Андрій Володимирович,

Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, доцент кафедри зварювального виробництва.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Методи розрахунку статичної міцності конструкцій у силовому полі залишкових зварювальних напружень за наявності в них різного типу технологічних дефектів є важливою науковою задачею, яка насьогодні ще остаточно не вирішена. До розв'язання поставленої задачі можна наблизитись, використовуючи нові досягнення комп'ютерної техніки та прикладних програм, що базуються на розрахунку напружено-деформованого стану методом скінченних елементів.

Необхідність розрахунку можливості розповсюдження технологічних дефектів у зварних конструкціях, зокрема в нафтопереробній галузі, зумовлена жорсткими правилами безпеки, а також економічним фактором як зі сторони забезпечення стабільності виробничого процесу, так і економії під час ремонтних робіт.

Розрахунок статичної міцності кільцевих зварних швів технологічних паропроводів за наявності в швах внутрішніх поверхневих кільцевих дефектів широко використовується відповідно до чинної нормативної документації, але він не враховує дію багатьох важливих факторів і використовує ряд припущень, що суттєво впливають на кінцевий результат. Тому розробка нових, більш точних, підходів для визначення і підвищення статичної міцності ушкоджених технологічними тріщиноподібними дефектами кільцевих швів паропроводів є актуальною науково-технічною задачею.

Для розв'язання даної задачі, по-перше, необхідно на основі методу скінченних елементів (МСЕ) встановити в околі непровару в кільцевому шві паропровода розподіл залишкових напружень та деформацій від зварювання і, по-друге, на основі лінійної механіки руйнування визначити статичну міцність конструкції за умови дії експлуатаційних навантажень з урахуванням залишкових зварювальних напружень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась автором на кафедрі зварювального виробництва НТУУ «КПІ» в напрямку досліджень статичної та циклічної міцності зварних трубопроводів та посудин тиску з експлуатаційними пошкодженнями з розробкою рекомендацій по визначенню їх граничного стану та ресурсу безпечної експлуатації відповідно до теми № 1.6.1.12.1, що виконувалась в ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України, термін виконання 2009 - 2011 рр., № ДР 0109U000979

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка способу розрахункової оцінки статичної міцності кільцевих стиків технологічних паропроводів з нормативно допустимими тріщиноподібними дефектами в корені шва на основі застосування силового критерію лінійної механіки руйнування та результатів кінцево-елементного моделювання залишкового напружено-деформованого стану, зумовленого як лише зварюванням, так і в сумі з доданим експлуатаційним навантаженням, а також розробка на основі проведеного дослідження рекомендацій для підвищення статичної міцності кільцевих стиків паропроводів технологічним шляхом.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішені наступні задачі:

здійснена постановка, розроблені типові алгоритми, виконані налаштування програми і отримано розв'язок складної зв'язаної зварювальної термо-пружно-пластичної задачі для розрахунку в зоні непровару кільцевого шва залишкового напружено-деформованого стану (НДС) від зварювання, а також від зварювання і доданого після зварювання експлуатаційного навантаження для технологічних паропроводів діаметрами 89, 159 та 219 мм з товщиною стінки 6 мм із сталі 20;

- виконано аналіз залишкового НДС в зоні кільцевого зварного шва паропроводу отриманого шляхом скінченно-елементного моделювання і з'ясовано вплив непровару в корені шва на розподіл по товщині труби залишкових зварювальних напружень; - проведено вибіркові експериментальні дослідження залишкового НДС на зразках труб Ш89, Ш159, Ш219 мм з товщиною стінки 6 мм із сталі 20 з метою перевірки кореляції з розрахунками за МСЕ;

розроблено новий наближений метод розрахунку коефіцієнтів інтенсивності напружень (КІН), який дає можливість визначати даний параметр у найбільш небезпечній точці внутрішньої поверхневої кільцевої еліпсоподібної тріщини, ініційованої непроваром кореня шва, залишковими зварювальними напруженнями (перший напрямок досліджень), або залишковими зварювальними напруженнями в сумі з доданими після зварювання експлуатаційними напруженнями, які зумовлюють певну зміну залишкових зварювальних напружень (другий напрямок досліджень).

обґрунтовано коректність використання силового критерію лінійної механіки руйнування для оцінки статичної міцності кільцевих стиків технологічних паропроводів з нормативно допустимим непроваром кореня шва;

проведено порівняльний аналіз розрахункових значень КІН із допустимим значенням тріщиностійкості металу шва і сформульовані висновки щодо оцінки статичної міцності кільцевих стиків паропроводів з нормативно допустимим тріщиноподібним дефектом у корені шва;

- за результатами досліджень розроблено технологічні рекомендації з метою підвищення статичної міцності кільцевих стиків технологічних паропроводів, які передані ПАТ «Укртатнафта» з метою подальшого їх використання під час виготовлення або ремонту паропроводів;

- результати досліджень НДС та КІН при зварюванні кільцевих стиків паропроводів використовуються у навчальному процесі при підготовці фахівців за напрямом «Зварювання» у Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» та у Міжгалузевому учбово-атестаційному центрі Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України.

Об'єкт дослідження - кільцеві зварні шви технологічних міжцехових паропроводів нафтопереробних підприємств з нормативно допустимим непроваром кореня шва.

Предмет дослідження - НДС від зварювання і експлуатаційного навантаження в зоні кільцевого непровару кореня шва та його вплив на величину критеріального параметра у формі КІН для природніх внутрішніх поверхневих кільцевих еліпсоподібних квазікрихких тріщин, які поширюються від вершини непровару в товщину стінки паропровода.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених в роботі задач використовувались теоретичні та експериментальні методи дослідження напружено-деформованого стану в зоні непровару кільцевого зварного шва технологічного паропроводу.

Теоретичним шляхом розроблено математичну модель для розрахунку напружено-деформованого стану в зоні непровару при зварюванні кільцевих стиків міжцехових технологічних паропроводів.

Експериментальним шляхом вибірково перевірені результати розрахунків напружень та деформацій на експериментальних зразках труб діаметрами 89, 159 і 219 мм. В експериментальних дослідженнях використовувалось типове обладнання для механічних та зварювальних робіт, прилади для реєстрації параметрів режиму зварювання, спеціальні прилади (деформометри) для вимірювання переміщень при зварюванні з метою визначення пружних, пластичних і повних деформацій, растрова електронна мікроскопія, сучасна обчислювальна техніка, а також оснастка для зварювання дослідних зразків.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Показано, що в металі кільцевого шва над непроваром кореня шва в залишковому стані після зварювання утворюється небезпечний напружений стан з точки зору можливості утворення і подальшого квазікрихкого поширення природної тріщини від вершини непровару. Це підтверджується зіставленням у точках на лінії симетрії поперечного перерізу шва значень векторів повних і октаедричних напружень на девіаторній площинці у просторі головних нормальних напружень. Оскільки дані вектори мало відрізняються один від одного за величиною і мають велике абсолютне значення, це свідчить про те, що просторове положення точки в середині гіперповерхні текучості Мізеса знаходиться поблизу осі циліндра Мізеса і тому умова пластичності за такого напруженого стану в цих точках не виконується. Такий напружений стан вважається жорстким, всі механізми ковзання для протікання пластичної деформації загальмовані, метал знаходиться в квазікрихкому стані і схильний до руйнування.

2. Розроблено новий розрахунковий метод наближеної оцінки довжини пластичної зони на продовженні внутрішньої кільцевої поверхневої тріщини від непровару кореня стикового шва паропровода, який враховує жорсткість напруженого стану та необхідне збільшення межі текучості у зв'язку з ізотропним зміцненням і розширенням гіперповерхні текучості для металу над непроваром в залежності від співвідношень компонентів сумарного напруженого стану попереду вершини тріщини.

3. Підтверджена «мало масштабна» пластичність в околі вершини внутрішньої поверхневої кільцевої еліпсоподібної тріщини і, тим самим, обґрунтована коректність застосування силового критерію лінійної механіки руйнування для оцінки статичної міцності кільцевих зварних стиків технологічних паропроводів з нормативно допустимими внутрішніми поверхневими тріщиноподібними дефектами типу непровара в корені шва.

4. Розроблено новий наближений метод розрахунку коефіцієнтів інтенсивності напружень (КІН), який дає можливість визначати даний параметр у найбільш небезпечній точці внутрішньої поверхневої кільцевої еліпсоподібної тріщини над непроваром кореня шва у силовому полі залишкових зварювальних та експлуатаційних напружень.

5. Встановлено, що зі збільшенням діаметра паропровода статична міцність кільцевих стиків з нормативно допустимими тріщиноподібними дефектами в корені шва зменшується в результаті збільшення коефіцієнтів інтенсивності напружень.

6. Встановлено, що зварювання кільцевого шва не за один, а за три проходи суттєво змінює характер розподілу осьових залишкових зварювальних напружень в зоні над вершиною непровару, завдяки чому унеможливлюється розповсюдження тріщин і в такий спосіб гарантується статична міцність стиків паропроводу.

Наукове значення роботи полягає у розробці наукової концепції оцінки і підвищення технологічним шляхом статичної міцності кільцевих зварних стиків міжцехових технологічних паропроводів з нормативно допустимими тріщиноподібними дефектами типу непровара в корені шва.

Практичне значення отриманих результатів. Результати виконаних досліджень у вигляді технологічних рекомендацій передані для використання на підприємстві ПАТ „Укртатнафта” під час технічного діагностування технологічних паропроводів.

Крім того, результати досліджень НДС та КІН при зварюванні кільцевих стиків паропроводів використовуються у навчальному процесі при підготовці фахівців за напрямом «Зварювання» у Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» в рамках вивчення навчальної дисципліни „Напруження та деформації при зварюванні”, а також у Міжгалузевому учбово-атестаційному центрі Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України при підготовці за програмами Міжнародного Інституту Зварювання персоналу зварювального виробництва за кваліфікаціями: Міжнародний інженер-зварник (IWE), Міжнародний технолог-зварник (IWT), Міжнародний спеціаліст-зварник (IWS).

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно обґрунтована загальна концепція роботи, сформульована мета та задачі дослідження, розроблена методика визначення статичної міцності кільцевих зварних стиків паропроводів з допустимим непроваром в корені шва [1-11]. Переважна більшість результатів у роботі отримана автором самостійно. Автор приймав безпосередню участь у впровадженні розробленої методики визначення статичної міцності кільцевих зварних стиків паропроводів з допустимим непроваром в корені шва. Здобувачу також належать загальні висновки дисертаційної роботи і наступні положення, що виносяться на захист:

- розроблена постановка задачі, підготовка вхідних даних, геометрична модель задачі, здійснені налаштування програми розрахунку, виконаний розв'язок задачі та його аналіз для визначення напружено-деформованого стану при зварюванні кільцевих зварних швів з непроваром в корені шва [2,3,7,8];

- проведені експериментальні дослідження з визначення напружено-деформованого стану на зразках з метою перевірки розробленого методу розрахунку [9];

- розроблені розрахункові методи визначення довжини пластичної зони на продовженні вершини тріщини [4-6];

- визначення коефіцієнтів інтенсивності напружень [4-6];

- розроблені технологічні рекомендації для підвищення статичної міцності кільцевих стиків паропроводів з нормативно допустимим непроваром кореня шва [1,10,11];

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на другій Міжнародній міжгалузевій науково-технічній конференції студентів , аспірантів та наукових співробітників «Зварювання та споріднені процеси і технології», 4-6 березня 2009 р., м. Київ; на третій Міжнародній міжгалузевій науково-технічній конференції «Досконалість зварювання - комплексний підхід», 19-22 травня 2009 р., м. Київ; на четвертій всеукраїнській міжгалузевій науково-технічній конференції студентів, аспірантів та наукових співробітників «Зварювання та споріднені процеси і технології», 20-22 квітня 2011 р., м. Київ; на п'ятій всеукраїнській міжгалузевій науково-технічній конференції студентів, аспірантів та наукових співробітників «Зварювання та споріднені процеси і технології», 18-20 травня 2012 р., м. Київ; на Международной научно-технической конференции искусственный интеллект. Интеллектуальные системы. ИИ-2012, 1-5 жовтня 2012 р., м. Кацивелі; на четвертой Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Интеллект молодых - производству 2012», 27 листопада -1 грудня 2012 р., м. Краматорськ, на науковому семінарі зварювального факультету НТУУ „КПІ”.

Публікації. За темою дисертації всього опубліковано 11 наукових робіт, 5 робіт у фахових виданнях (одна з них у зарубіжному виданні), 6 у збірниках тез доповідей міжнародних науково-технічних конференцій.

Обсяг та структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків. Загальний обсяг роботи - 157 сторінок. Дисертація містить 95 рисунків, 15 таблиць, список використаних джерел з 109 найменувань, 3 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність роботи, визначена мета і завдання дослідження, розкрита наукова новизна і практична цінність отриманих результатів.

У першому розділі дисертації міститься аналіз літературних даних стосовно виготовлення, експлуатації і поточної діагностики технічного стану технологічних паропроводів. На основі аналізу зроблено висновок, що у зварних стикових кільцевих швах паропроводів часто утворюються з різних причин тріщиноподібні технологічні дефекти, які потенційно можуть спричинити появу і поширення природних гостроверхих тріщин з небажаними наслідками (рис.1).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Тріщиноподібні дефекти з'являються в корені кільцевого шва переважно у формі непровару. Довжина непровару по колу внутрішнього діаметра труби може бути різною. Глибина непровару, по відношенню до товщини стінки труби, теж коливається в широких межах. Зазвичай, після виготовлення і в подальшому під час експлуатації зварні стики контролюються і виявлені непровари за діючою нормативною документацією розділяються на «нормативно допустимі» і «нормативно недопустимі». В останньому випадку зварний стик підлягає локальному або повному повторному заварюванню.

Урахування впливу залишкових зварювальних напружень на статичну міцність за формулами ВБН В 2.3-00018201.04-2000 з нашого погляду є недостатньо коректним, оскільки в такому разі не приймається до уваги складна залежність осьових зварювальних напружень по товщині стінки труби паропроводу. Зварювальні напруження необхідно належним чином розраховувати числовим методом скінченних елементів з використанням відповідних інженерно-наукових обчислювальних комплексів. Можливість застосування для оцінки статичної міцності внутрішніх кільцевих поверхневих тріщин силового критерію механіки руйнування має бути підтверджена наявністю «мало масштабної» пластичності в околі вершини тріщини, яка розвивається від тріщиноподібного дефекту. Крім того, виникає необхідність адаптації формул ВБН В 2.3-00018201.04-2000 таким чином, щоб враховувати залежність залишкових напружень по товщині стінки паропроводу.

У другому розділі розглянуті питання, пов'язані з розрахунком методом скінченних елементів напружено-деформованого стану (НДС) у просторових зварних конструкціях. Задачі визначення НДС в технологічних міжцехових паропроводах нафтопереробних та теплоенергетичних підприємств України діаметрами 89, 108, 159 та 219 мм з товщиною стінки 6 мм і непроваром в корені кільцевого шва зумовлені наявністю великої кількості даних конструкцій в експлуатації. Геометричні параметри непровару для скінченно-елементної моделі обирались згідно діючих норм (табл. 1), режими зварювання - за ГОСТ 5264-80.

На стадії препроцесорної підготовки моделі створюється необхідна для розрахунку база даних, задається система координат, розробляються геометричні моделі циліндричних оболонок з кільцевим швом для двох варіантів зварювання (з повним проваром та із заданим непроваром у корені кільцевого шва згідно табл. 1, задаються властивості матеріалу, тип і час аналізу, режим зварювання, граничні умови, створюється сітка скінченних елементів, призначається тип елемента.

Результати розрахунку осьових компонентів залишкових напружень у стінці паропровода на непроваром кореня шва представлені на рис.2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таблиця 1

Граничні значення непровару кореня шва, що регламентуються нормативною документацією

Назва нормативного документу	Параметри непровару, який допускається до експлуатації
	глибина, % від д	довжина по периметру, %
СНиП 3.05.05-84	до 20%, але не більше 3 мм	25%
СНиП 3.05.03-85	до 10%, але не більше 2 мм	20%
РД 34.15.027-93	до 10%	20%

зварний шов паропровід напруження

Для перевірки адекватності моделі проводились експериментальні дослідження на аналогічних зразках згаданих вище паропроводів з примусовим формуванням необхідного непровару за допомогою мідних пластинок-вставок. Поперечні відносно шва залишкові напруження в оболонці експериментально визначались з використанням механічного деформометра для вимірювання переміщень на базі 25 мм (рис.3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Порівняльний аналіз результатів розрахунку та експериментальних даних виявив між ними розбіжність знаходиться в межах 10% (рис.4).

Отже, спираючись на результати розрахунку за методом скінченних елементів, можна зробити висновок, що область металу шва над непроваром кореня шва перебуває в умовах досить жорсткого об'ємного розтягування, незважаючи на відносно невелику товщину стінки паропроводу.

Такий напружений стан в цій зоні шва погіршує можливості пластичного деформування металу і сприяє утворенню природної тріщини від вершини непровару та її поширенню вглиб товщини стінки труби.

Встановлено, що в зоні шва над непроваром в залишковому стані після зварювання, а ще більшою мірою після зварювання з додатковим осьовим розтягуванням паропроводу, формується складний тривісний напружений стан з напруженнями розтягу уздовж трьох осей координат.

Размещено на http://www.allbest.ru/

У третьому розділі представлені результати дослідження коефіцієнтів інтенсивності напружень для внутрішніх кільцевих еліпсоподібних тріщин у кільцевих швах паропроводів, які за певних умов можуть розповсюджуватись вглиб товщини стінки труби до її зовнішньої поверхні. Попередньо в розділі виконана цілеспрямована обробка результатів розрахунку методом МСЕ по траєкторії руху тріщини напружень від зварювання, а також від зварювання і додаткового після цього осьового експлуатаційного навантаження. Мета такої обробки полягала в отриманні поліноміальних залежностей для подальшого використання їх при розрахунку коефіцієнтів інтенсивності напружень (КІН).

Встановлено, що додаткове осьове розтягування паропроводу після зварювання змінює осьові напруження у кільцевому стику в зоні над непроваром майже у відповідності до принципу Сен-Венана, що підтверджує об'ємність залишкового напруженого стану в цій зоні і не схильність його до пластичного деформування. Інші компоненти напружень змінюються менш помітно.

Жорсткий напружений стан в області металу шва над непроваром створює передумови для можливого зародження в цій зоні шва природної гострої тріщини, яка надалі може поширюватися за квазікрихким механізмом в напрямку зовнішньої стінки труби. Для оцінки такої можливості необхідно визначати коефіцієнти інтенсивності напружень.

Далі в розділі розглянуто новий наближений метод розрахунку коефіцієнту інтенсивності напружень (КІН) для природної гостроверхої напівеліптичної тріщини, що утворилась від вершини кільцевого непровару в корені зварного шва внаслідок відхилень у технологічному процесі під час зварювання або експлуатації. В основу методу покладені основні відомості і базові залежності з теорії тріщин та результати розв'язання методом скінченних елементів задачі про НДС від зварювання кільцевого шва у паропроводі, а також сумарного залишкового НДС від зварювання та наступного навантаження паропроводу зовнішнім осьовим розтягом.

У найбільш навантаженій і небезпечній точці фронту руйнування сумарного дефекту-тріщини (на кінці малої півосі еліпса) буде виникати максимальне значення коефіцієнта , обумовлене результуючими осьовими напруженнями від усієї сукупності осьових навантажень із додаванням до них залишкових зварювальних напружень, частково змінених від дії зовнішніх осьових навантажень.

Двома паралельними площинами, зазор між якими <<, виріжемо із стінки паропроводу уздовж твірної поздовжній елемент з кільцевим непроваром і тріщиною на його продовженні. В такий спосіб отримаємо крайову тріщину у вузькій смузі завширшки і завтовшки . У такій смузі тріщина буде розповсюджуватись внаслідок дії осьових напружень уздовж осі труби (лише залишкових зварювальних або ще з доданими до них експлуатаційними). Коефіцієнт інтенсивності в такій задачі необхідно розраховувати за принципом Сен-Венана як такий, що утворюється у такій же смузі з такою ж тріщиною, протилежні береги якої знаходяться під дією нормально розподіленого навантаження, що дорівнює осьовим напруженням у паропроводі з протилежним знаком у площині майбутньої кільцевої тріщини над непроваром, коли вона ще не розповсюдилась у товщину стінки паропроводу.Далі скористаємось відомим принципом глобальної інтегральної суперпозиції напружених станів у задачах про тріщини у пластинах, зумовлених дією на її берегах у точках з координатою y точкових сил вигляду . Приймемо припущення про незмінність поля залишкових пластичних деформацій від зварювання у зоні кільцевого шва в процесі розповсюдження кільцевої напівеліптичної тріщини. Використаємо також рекомендації нормативного документу ВБН В 2.3-00018201.04-2000 стосовно урахування поправочних функцій при визначенні КІН у тонкостінних оболонках. Вплив на коефіцієнт інтенсивності окружних і радіальних напружень у стінці паропроводу відсутній, оскільки згадані напруження, з причини паралельності їх площині тріщини, не створюють в околі її фронту руйнування так званої кореневої асимптотики. Тоді остаточно можна записати:

, (1)

, (2)

, (3)

де - товщина стінки труби, - сумарна глибина непровару і природної тріщини, l - напівдовжина тріщини по колу внутрішнього діаметра труби, R - внутрішній радіус труби, F - поправка на геометрію труби й тріщини, ?(a) - комплексна поправка на тильну сторону труби та геометрію тріщини. Крім того, дією згинального моменту від осьових напружень у смузі з крайовою тріщиною можна знехтувати з огляду на вісесиметричність осьового навантаження у поперечному перерізі паропроводу по кільцевому стику.

Розподіл КІН для кільцевих поверхневих внутрішніх тріщин у шві в залежності від сумарної глибини непровару разом з природною тріщиною та двох видів напруженого стану - залишкових зварювальних напружень та залишкових напружень від зварювання з додатковим розтягом після зварювання показані на рис. 5.

Показано, що коефіцієнти інтенсивності напружень для внутрішньої кільцевої поверхневої еліпсоподібної тріщини у стику паропровода, зумовлені дією залишкових зварювальних напружень разом з доданим осьовим зовнішнім розтягуванням в залежності від співвідношень глибини кільцевої тріщини і діаметра паропроводу можуть досягати значних величин і сприяти тріщині поширюватись вглиб стінки труби в напрямку до зовнішньої поверхні. Вихід тріщини на зовнішню поверхню труби за статичного навантаження не очікується, оскільки вершина тріщини поступово заходить у зону дії стискальних осьових напружень і коефіцієнти інтенсивності напружень суттєво зменшуються, впритул до нульових значень. Однак, при збільшенні діаметра труби, в окремих випадках, можливе поширення тріщини орієнтовно до глибини 0,8 від товщини труби, але в цьому випадку відповідно до діючих норм подальша експлуатація паропроводу категорично забороняється.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Далі у розділі дано обґрунтування коректності застосування силового критерію руйнування для тріщин у паропроводі на основі обчислення довжини пластичної зони біля вершини тріщини і дослідження поверхні реальної тріщини над непроваром за допомогою растрової електронної мікроскопії (РЕМ).

Задача про форму і розміри пластичної зони в околі вершини тріщини зводиться до порівняння у точці на продовженні тріщини заданої довжини, за наявних в ній співвідношень сумарних осьових напружень, двох відносних (по відношенню до нормативної межі текучості) інтенсивностей напружень: 1) тієї, яка є реальною у точці і 2) тієї, яка необхідна для виконання умови пластичності у точці. Залежності для згаданих інтенсивностей напружень отримані в роботі. Формально задача зводиться до розв'язування відповідного рівняння, з якого визначається координата точки на межі пластичної зони уздовж лінії продовження тріщини. Приклади деяких випадків визначення довжини пластичної зони показані на рис. 6 - 8.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таким чином, можна вважати, що для такого типу кільцевих внутрішніх поверхневих тріщин, ініційованих нормативно допустимим непроваром і залишковими зварювальними напруженнями в сумі з напруженнями від зовнішніх осьових навантажень, загалом попереду вершини тріщини має місце «мало масштабна» пластичність і тому коректність використання силового критерію ми вважаємо доведеною.

Фрактографія поверхні зламу при розповсюдженні тріщини представлена на рис. 9. З рисунка видно, що поверхня зламу тріщини відповідає квазікрихкому міжзеренному руйнуванню. При квазікрихкому транскристалітному руйнуванні ділянки поверхні зламу, які при візуальному огляді видавалися плоскими і блискучими, під мікроскопом мають характерний рельєф струмкового візерунка (рис. 9,б). Кожна лінія струмкового візерунка являє собою сходинку на поверхні зламу. Квазікрихке руйнування на двох половинках зразка завжди залишає симетричні елементи поверхонь.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Отже, висунута нами гіпотеза про можливість оцінки статичної міцності кільцевих стиків паропроводів з тріщиноподібними дефектами у формі непровару на основі використання силового критерію механіки руйнування і результатів розрахунку напруженого стану в зоні непровару методом скінченних елементів знайшла своє підтвердження розрахунками довжини пластичних зон і фрактографічним дослідженням поверхні тріщини. Таким чином, ми вважаємо, що дані результати вичерпують проблему оцінки статичної міцності паропроводів, шляхом обчислення значень КІН за запропонованим в роботі розрахунковим методом.

У четвертому розділі приведено розрахунок залишкового напружено-деформованого стану (НДС) в околі багатопрохідного кільцевого шва для тонкостінних оболонок із сталі 20 Ш89-219Ч6 мм необхідне для обґрунтування діючих технологічних рекомендацій щодо зварювання та ремонту даного типу конструкцій.

Дану задачу розв'язували також методом скінченних елементів. Непровар в корені шва варіювався від нульового значення (без непровару) до максимального в 1,2 мм згідно нормативної документації.

За результатами розрахунків для різної кількості проходів (від одного до трьох) побудовані графіки залежності від глибини непровару поздовжніх осьових (уздовж оболонки) напружень у точках по лінії симетрії в поперечному перерізі шва (рис.10). Отримані криві дають змогу оцінити вплив величини непровару на осьові напруження, а також порівняти розрахунки для шва з різною кількістю проходів.

Аналіз отриманих результатів свідчить про те, що, по-перше, поздовжні осьові напруження в точці над концентратором рівномірно зростають із збільшенням глибини непровару і, по-друге, із збільшенням кількості проходів при незначному непроварі (до 0,5 мм) напруження змінюють свій знак на «-» (стискання).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Проведено моделювання ділянки труби з кільцевим швом, виконаним за три проходи з повним охолодженням після кожного наступного проходу та без охолодження (неперервне зварювання). Отримані результати дають змогу оцінити величину поздовжніх осьових напружень в центральному поперечному перерізі шва над концентратором на всьому проміжку величини непровару від нуля до 1,2 мм (рис.11). В розрахунковому діапазоні спостерігається еквідистантне розміщення кривих осьових напружень із стабільною різницею в 50 МПа. Ефект зростання поздовжніх осьових напружень для випадку з покроковим охолодженням можна пояснити незначним збільшенням їх за рахунок підсумовування на кожному кроці охолодження.



Размещено на http://www.allbest.ru/

ВИСНОВКИ

1. Аналіз літературних джерел показав, що під час виготовлення технологічних паропроводів із сталі 20 діаметрами 89, 159, 219 і більше міліметрів з товщиною стінки 6 мм часто утворюються нормативно допустимі за чинною документацією тріщиноподібні технологічні дефекти, в основному непровари кореня шва різної довжини і глибини.

2. У процесі експлуатації тріщиноподібні дефекти можуть стати причиною появи природної гостроверхої еліпсоподібної внутрішньої поверхневої тріщини, яка за певних умов може поширюватись малою піввіссю у площині кільцевого шва вглиб товщини стінки паропроводу в напрямку до його зовнішньої поверхні, що спричиняє зменшення статичної міцності паропроводу і може призвести до аварійної ситуації. Таким чином, звідси випливає актуальність вирішення науково-технічної задачі з оцінки і підвищення технологічним шляхом статичної міцності кільцевих стиків паропроводів з такими дефектами в корені шва.

3. Зважені з різних точок зору пошуки оптимального вирішення даної науково-технічної задачі привели до висунення гіпотези про можливість застосування для оцінки статичної міцності кільцевих стиків з тріщиноподібними дефектами в корені шва силового критерію лінійної механіки руйнування, в основі якого є розрахунок коефіцієнтів інтенсивності напружень в околі вершини тріщини, яка потенційно може утворитись і поширюватись від непровару кореня шва.

4. Використання силового критерію потребує попереднього вирішення ряду складних питань. По-перше, необхідно детального дослідити напружений стан у точках перемички стінки труби, яку перетинає вершина рухомої тріщини. Це питання має бути вирішене для двох варіантів дії силових факторів, а саме: 1) для варіанту наявності в зоні непровару кореня шва лише залишкових зварювальних напружень і 2) для варіанту наявності в зоні непровару кореня шва сумарних напружень від доданого після зварювання осьового розтягування паропроводу зовнішніми експлуатаційними навантаженнями і змінених цим розтягуванням залишкових зварювальних напружень. По-друге, необхідно всебічно проаналізувати напружений стан металу кільцевого шва безпосередньо над вершиною непровару з точки зору оцінки ступеню його тривісності і наявності сприятливої можливості для зародження від вершини непровару природної квазікрихкої тріщини. По-третє, необхідно вивчити питання про зону пластичності перед вершиною рухомої тріщини і підтвердити наявність в її околі так званої «мало масштабної» пластичності, що є підставою для коректного використання силового критерію руйнування. Сказане вище визначило частину відповідних важливих задач даної роботи.

5. Здійснена постановка і отримано розв'язок складної зв'язаної термопружно-пластичної задачі з метою розрахунку методом скінченних елементів в зоні непровару кільцевого шва залишкового напруженого стану від зварювання, а також від зварювання з доданим після зварювання експлуатаційним навантаженням для технологічних паропроводів із сталі 20 діаметрами 89, 159 та 219 мм з товщиною стінки 6 мм.

6. Встановлено, що область металу шва над непроваром кореня шва перебуває в умовах досить жорсткого об'ємного розтягування, незважаючи на відносно невелику товщину стінки паропроводу. Такий напружений стан в цій зоні шва погіршує можливості пластичного деформування металу і сприяє утворенню від вершини непровару природної квазікрихкої тріщини та її поширенню вглиб товщини стінки труби. Додаткове осьове розтягування паропроводу після зварювання змінює осьові напруження у кільцевому стику в зоні над непроваром практично у відповідності до принципу Сен-Венана, що підтверджує об'ємність залишкового напруженого стану в цій зоні. Порівняльний аналіз результатів розрахунку напружень за методом скінченних елементів з експериментальними даними підтвердив наявність кореляції результатів. Розбіжність результатів знаходиться на рівні 10%, що вважається допустимим для даної області досліджень.

7. Розроблено новий наближений метод розрахунку КІН і розв'язана на основі силового критерію задача механіки руйнування про поширення внутрішніх кільцевих еліпсоподібних поверхневих тріщин у швах паропроводів за умови дії залишкових зварювальних напружень або залишкових зварювальних з доданими напруженнями від зовнішніх навантажень. Показано, що коефіцієнти інтенсивності напружень для внутрішньої кільцевої поверхневої еліпсоподібної тріщини у стику паропроводу, які зумовлені дією залишкових зварювальних напружень разом з доданим осьовим зовнішнім розтягуванням, можуть досягати значних величин в залежності від співвідношень глибини кільцевої тріщини і діаметра паропроводу. Виявлена можливість поширення утвореної від непровару кореня шва природної гостроверхої тріщини вглиб стінки труби в напрямку до її зовнішньої поверхні за умов дії тієї інтенсивності напружень, яка може утворюватись в околі вершини тріщини за певних співвідношень глибини тріщини, діаметра паропроводу та напружень від зварювання і зовнішнього навантаження. Встановлено, що за допустимого значення тріщиностійкості для сталі 20 і сукупного впливу діючих чинників, напівеліптична тріщина від вершини непровару в корені шва паропроводу може поширюватися малою піввіссю вглиб товщини стінки приблизно до 0,5…0,8 її товщини, як у сумарному силовому полі зовнішніх навантажень і частково релаксованих зварювальних напружень, так і в силовому полі лише одних зварювальних напружень. З'ясовано, що вихід тріщини на зовнішню поверхню труби за умов статичного навантаження є неможливим, оскільки вершина тріщини по мірі заглиблення у стінку труби поступово заходить у зону дії стискальних осьових напружень і тому коефіцієнти інтенсивності напружень в околі її вершини суттєво зменшуються впритул до нульових значень.

8. Розроблено новий наближений метод оцінки довжини пластичної зони на продовженні внутрішньої кільцевої поверхневої тріщини від непровару кореня стикового шва паропроводу, який враховує жорсткість напруженого стану металу над непроваром в залежності від співвідношень компонентів сумарного напруженого стану попереду вершини тріщини. Обґрунтована коректність застосування силового критерію лінійної механіки руйнування з метою оцінки статичної міцності кільцевих зварних стиків технологічних паропроводів з нормативно допустимими внутрішніми поверхневими тріщин подібними дефектами типу непровару в корені шва.

9. На підставі виконаних в роботі досліджень запропоновано технологічний шлях підвищення статичної міцності кільцевих стиків паропроводів з можливими в корені шва тріщиноподібними дефектами, застосування якого змінює в сприятливу сторону характер розподілу по траєкторії руху вершини тріщини залишкових осьових зварювальних напружень. З цією метою кільцевий шов необхідно заварювати не за один прохід, як того вимагає нормативний документ, а за три проходи, або хоча б за два. Такий висновок отримано шляхом розв'язування методом скінченних елементів зв'язаних термо-пружно-пластичних задач для випадків заварювання шва за два і три проходи.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ:

1. Reduction of longitudinal axial residual stresses in near-root region of circumferential butt joint of steam piping by taking technological measures. / V.M. Prokhorenko, A.O. Perepichai, I. Mamuziж, A. Иikiж // Metalurgija, vol.52. - 2012. - №4 - p. 449-453.

1. Здобувачем розроблені скінченно-елементні моделі стика паропроводу виконаного за 2 та 3 проходи.

2. Проблема визначення залишкового ресурсу експлуатації кільцевих зварних стиків технологічних паропроводів з тріщино подібними дефектами в швах / В.М. Прохоренко, А.О. Перепічай, К.О. Зворикін // Технологические системы. - 2011. - №2 - С. 15-22.

3. Здобувачем проаналізовані літературні джерела з обраної проблеми.

4. Скінчено-елементне моделювання напружено-деформованого стану від зварювання кільцевих швів технологічних паропроводів. / В.М. Прохоренко, А.О. Перепічай, К.О. Зворикін // Технологические системы. - 2012. - №1 - С. 58-64.

5. Здобувачем розроблена скінченно-елементна модель та проведено розрахунок напружень для ділянки труби з кільцевим швом за наявності непровару в корені шва.

6. Розрахункова оцінка можливості розповсюдження тріщини в кільцевому шві паропроводу, ініційована непроваром, напруженнями від зварювання та зовнішнім навантаженням. / В.М. Прохоренко, А.О. Перепічай, К.О. Зворикін // Технологические системы. - 2012. - №2 - С. 25-34.

7. Здобувачем запропонована методика розрахунку можливості розповсюдження напівеліптичної тріщини в напрямку поверхні зварного шва в полі залишкових напружень та робочого осьового зусилля.

8. Напряженно-деформированное состояние кольцевого шва паропровода после ремонтного сваривания корневого непровара и дальнейшей эксплуатационной загрузки. / В.М. Прохоренко, А.А. Перепичай, К.О. Зворыкин // Технологические системы. - 2012. - №4 - С. 92-95.

9. Здобувачем розроблена скінченно-елементна модель ремонтної ділянки кільцевого зварного шва з урахуванням робочих зусиль.

10. Перепічай А.О. Аналіз ефективності методів оцінки інтенсивності напружень в зоні дефекту ділянки трубопроводу / А.О. Перепічай, В.М. Прохоренко // Тези доповідей на ІІ Міжнародній міжгалузевій науково-технічній конференції студентів , аспірантів та наукових співробітників «Зварювання та споріднені процеси і технології», Київ, 2009 р.

11. Здобувачем розглянуті основні методи оцінки інтенсивності напружень в зоні дефекту тонкостінної оболонки.

12. Перепічай А.О. Числові методи оцінки залишкового ресурсу експлуатації ділянки трубопроводу з дефектом / А.О. Перепічай, В.М. Прохоренко // Тези доповідей на ІІІ Міжнародна міжгалузева науково-технічна конференція «Досконалість зварювання-комплексний підхід», Київ, 2009 р.

13. Здобувачем проведено огляд основних пакетів програмного забезпечення для розрахунку методом скінченних елементів залишкового напруженого стану від зварювання.

14. Перепічай А.О. Визначення температурних полів та полів залишкових напружень в кільцевому шві тонкостінної оболонки методом кінцевих елементів / А.О. Перепічай, В.М. Прохоренко // Тези доповідей на ІV Міжнародній міжгалузевій науково-технічній конференції студентів , аспірантів та наукових співробітників «Зварювання та споріднені процеси і технології», Київ, 2011 р.

АНОТАЦІЯ

Технологічні паропроводи є відповідальними зварними конструкціями теплоенергетичних установок, оскільки їх пошкодження можуть призвести до тяжких наслідків. Як свідчить огляд літературних джерел, виробничий досвід виготовлення, експлуатації і поточної діагностики технічного стану технологічних паропроводів, у зварних стикових кільцевих швах часто утворюються з різних причин тріщиноподібні технологічні дефекти, які потенціально можуть спричинити появу і поширення природних гостроверхих тріщин з небажаними наслідками.

Методом скінченних елементів встановлено, та експериментально перевірено, що в зоні шва над непроваром в залишковому стані після зварювання, а ще більшою мірою після зварювання з додатковим осьовим розтягуванням паропроводу, формується складний тривісний напружений стан з напруженнями розтягу уздовж трьох осей координат. Для допустимої тріщиностійкості сталі 20 напівеліптична тріщина, що виникла від непровару з якихось причин, буде поширюватися малою піввіссю вглиб товщини стінки приблизно до 0,5…0,8 її товщини як у спільному силовому полі напружень від зовнішніх навантажень і частково релаксованих зварювальних напружень, так і в силовому полі лише одних зварювальних напружень.

Ключові слова: непровар, тріщини, статична міцність, залишкові напруження.

Технологические паропроводы являются ответственными сварными конструкциями теплоэнергетических установок, поскольку их повреждения могут привести к серьезным последствиям. Надежность эксплуатации паропроводов, в первую очередь, зависит от качества материалов, которые используются для изготовления, а также от способности этих материалов сохранять неизменными свои свойства на протяжении расчетного срока эксплуатации. Как свидетельствует обзор литературных источников, производственный опыт изготовления, эксплуатации и текущей диагностики технического состояния технологических паропроводов, в сварных стыковых кольцевых швах часто возникают по разным причинам трещиноподобные технологические дефекты, которые потенциально могут послужить причиной появления и распространения естественных остроконечных трещин с нежелательными последствиями.

Методом конечных элементов расчетным путем установлено и экспериментально проверено, что в зоне шва над непроваром в остаточном состоянии после сварки, а еще в большей мере после сварки с дополнительным осевым растяжением паропровода, формируется сложное трехосное напряженное состояние с напряжениями растяжения вдоль трех осей координат. Для допустимой трещиностойкости стали 20 полуэллиптическая трещина, которая возникла от непровара по каким-либо причинам, будет распространяться малой полуосью вглубь толщины стенки приблизительно до 0,5…0,8 от ее толщины как в общем силовом поле напряжений от эксплуатационных нагрузок и частично релаксированных сварочных напряжений, так и в силовом поле одних только сварочных напряжений. Установлено, что выход трещины на внешнюю поверхность трубы при условиях статического нагрузки является невозможным, поскольку вершина трещины по мере углубления в стенку трубы постепенно заходит в зону действия сжимающих осевых напряжений и потому коэффициенты интенсивности напряжений в окрестности ее вершины существенно уменьшаются приближаясь к нулевым значениям.

Разработан новый приближенный метод оценки длины пластической зоны на продолжении внутренней кольцевой поверхностной трещины от непровара корня стыкового шва паропровода, который учитывает жесткость напряженного состояния металла над непроваром в зависимости от соотношений компонентов суммарного напряженного состояния впереди вершины трещины. А также была обоснована корректность применения силового критерия линейной механики разрушения с целью оценки статической прочности кольцевых сварных стыков технологических паропроводов с нормативно допустимыми внутренними поверхностными трещинами.

На основе проведенных расчетов методом конечных элементов установлено, что типовая технология сварки, приведенная в нормативной документации на сооружение и ремонт технологических паропроводов, позволяет получить кольцевое сварное соединение с оптимальным напряженно-деформированным состоянием с точки зрения статической прочности. С этой целью предложено выполнять сварку кольцевых стыков паропроводов в три прохода для уменьшения уровня продольных осевых остаточных сварочных напряжений в точке над вершиной непровара, что будет повышать статическую прочность кольцевых стыков.

Ключевые слова: непровар, трещины, статическая прочность, остаточные напряжения.

Process steam pipes are responsible welded construction of thermal power plants, as their damage can lead to serious consequences. As the review of literary sources, production experience in manufacturing, operation and diagnosis of the current technical state of technological steam in the butt weld ring seams often arise for various reasons technological defects that could potentially cause of the appearance of genital and distribution of natural fractures with unwanted consequences. The finite element method established by calculation and experimentally verified that the seam of the lack of penetration in the residual state after welding, and to an even greater extent after welding with additional axial stretching of steam, formed a complex triaxial stress state with voltage stretching along three axes. The load fractured bones became 20 semi-elliptical crack, which originated from the lack of penetration by what reasons will extend deep into the minor axis of the wall thickness of approximately 0.8 to 0.5 ... on its thickness in the general field of force stresses of operating loads and partially relaxed welding stresses , and in the force field alone welding stresses.

Keywords: lack of fusion, cracks, static strength , residual stress.

Размещено на Allbest.ru

...